過氧化鈉與水反應實驗的改進及教學實踐

葉永謙 吳新建 張賢金

摘要：? 針對過氧化鈉與水反應演示實驗中酚酞退色以及超出高一學生認知水平的問題，巧用棉花減少酚酞與過氧化氫的接觸、使用大量冷水稀釋氫氧化鈉溶液降溫以減少反應放熱的影響，破解同一團棉花既要泡在冷水中又要劇烈燃燒的難題，設計出符合學生認知水平、現(xiàn)象明顯的新方案。發(fā)現(xiàn)作為可燃物參與燃燒、高溫下過氧化鈉超強的腐蝕作用是導致酚酞無法顯色的可能原因。把研究過程中的真實情境案例應用于不同教學階段的實踐，有利于構建素養(yǎng)為本的高效課堂。

關鍵詞：? 過氧化鈉與水反應； 酚酞退色； 實驗改進

文章編號： 1005-6629（2024）05-0068-03

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

過氧化鈉作為學生進入高中階段接觸到的第一種過氧化物，其與水反應的性質和應用可以作為情境素材，在素養(yǎng)為本的課堂教學中發(fā)揮重要作用［1］。關于該實驗的演示方案，2007年人教版高中化學教材必修１［2］表述如下：把水滴入盛有少量過氧化鈉固體的試管中，立即把帶火星的木條放在試管口，檢驗生成的氣體。用手輕輕摸一摸試管外壁，有什么感覺？然后向反應后的溶液中滴入酚酞溶液，有什么現(xiàn)象發(fā)生？2019年人教版高中化學教材必修１［3］描述為：將1至2mL水滴入盛有1至2g過氧化鈉固體的試管中，立即把帶火星的木條伸入試管中，檢驗生成的氣體。用手輕輕觸摸試管外壁，有什么感覺？用pH試紙檢驗溶液的酸堿性。

兩個版本教材中關于過氧化鈉與水反應的演示方案略有不同，其中最大的區(qū)別是采用不同方法檢驗氫氧化鈉的生成。新教材使用pH試紙而不用酚酞溶液檢驗氫氧化鈉的生成，其原因與演示過程中酚酞先變紅后迅速退色有關。酚酞退色的原因與產物中有過氧化氫生成有關，但該知識超出高一學生的認知范圍［4］，因此只好舍棄酚酞溶液而選用pH試紙。但是，從學生的認知水平出發(fā)，檢驗堿性物質的最直接答案還是酚酞是否變紅。蔣小剛老師認為，元素化學是培養(yǎng)核心素養(yǎng)的重要載體，對于高一學生而言，學習存在諸多困難，教學中應該根據(jù)學生的認知水平構建有效的認知模型［5］?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出：要能根據(jù)文獻和實際需要提出探究課題，能對實驗中的異?，F(xiàn)象和已有結論進行反思、提出質疑和新的實驗設想，并付諸實施［6］。如何直面學生的問題，基于學生的認知水平，使用酚酞溶液有效檢驗過氧化鈉與水反應的堿性產物，成為值得研究的真實情境課題。

2? 方案設計

過氧化鈉與水反應演示實驗中酚酞之所以退色，與諸多因素有關。一般認為，過氧化鈉與水反應分為兩個過程，首先是過氧化鈉與水反應生成氫氧化鈉和過氧化氫，然后是過氧化氫分解為水和氧氣。其中，過氧化氫的生成、氫氧化鈉濃度過高和反應放熱是導致酚酞退色的主要原因［7］。因此，實驗的改進主要從三個方向進行：一是如何盡量減少酚酞與過氧化氫的接觸；二是如何避免氫氧化鈉濃度過高；三是如何減少反應放熱的影響。

2.1? 通過棉花吸附減少酚酞與過氧化氫的接觸

棉花作為一種纖維素，具有蓬松的結構和較強的吸附性，可以作為減少酚酞與過氧化氫接觸的有效載體。實驗時往包有過氧化鈉的棉花上方滴加酚酞溶液，在溶液的下滲過程中，少量酚酞吸附在棉花上方，與產物中的氫氧化鈉接觸變色。而更多的液態(tài)產物（含有過氧化氫等）繼續(xù)下滲到墊層的棉花上并被吸附住，以減少酚酞與過氧化氫的接觸的效果。2019年人教版高中化學教材必修１課后習題也使用棉花包裹過氧化鈉滴水生火作為拓展實驗，但該實驗存在棉花無法順利燃燒等問題［8］，故需要再設計成功率更高的實驗方案。

2.2? 通過冷水降溫減少反應放熱的影響

課堂演示使用的試管實驗放熱明顯，所以讓學生用手觸摸體驗，但溫度的升高正是導致酚酞退色的原因之一。課后拓展實驗中棉花燃燒起來，溫度更高，更不利于觀察到酚酞變紅的現(xiàn)象。如何在以上棉花包裹過氧化鈉的基礎上，做到既能觀察到棉花劇烈燃燒起來，又能觀察到燃燒后酚酞還能呈現(xiàn)紅色？這個相互矛盾的要求成為設計的難點。為了解決這個問題，設想讓包有過氧化鈉的棉花團漂浮在冷水中，露出水面的棉花可以燃燒，浸入水中的棉花則利用冷水的降溫作用不讓酚酞退色。同時，大量冷水也可以稀釋反應產物氫氧化鈉的濃度，避免因其濃度過高導致酚酞退色。

2.3? 通過熱量積蓄解決燃燒和降溫的矛盾

上述包有過氧化鈉的棉花團浸入水中部分降溫容易實現(xiàn)，但同時要讓露出水面的部分燃燒起來，則必須控制棉花團接觸冷水的時機。只有讓該棉花團在接觸到大量冷水之前先積蓄足夠熱量，才能順利燃燒起來。為此，可以利用“滴水生火”的原理先往包有過氧化鈉的棉花上滴幾滴酚酞，讓反應進行一段時間，待積蓄足夠熱量后再將棉花團放在冷水水面上，達到露出水面的棉花團燃燒起來的目的。

3? 實驗演示

實驗演示時，先用棉花包裹過氧化鈉粉末，往棉花滴幾滴酚酞溶液，等待一定時間積蓄熱量，再使棉花團漂浮在冷水水面上，可以達到預想的設計效果。但要使冷水水面上的棉花團燃燒起來，過氧化鈉的用量、酚酞溶液的用量和積蓄熱量的時間等都需要不斷調整。經過反復試探，可以重復再現(xiàn)的課堂演示實驗方案闡釋如下。

3.1? 藥品的準備

往1000mL規(guī)格的大燒杯中加入200mL冷水備用，200mL的冷水除了可以降低體系的溫度，還降低了過氧化氫的濃度和氫氧化鈉的濃度，有利于酚酞保持紅色不退。將一團棉花平鋪成直徑約為10cm、高度約為2cm的燒餅狀，往燒餅狀棉花中心放兩藥匙（約5g）過氧化鈉粉末。將燒餅狀棉花從邊沿往中間卷成團，過氧化鈉被包在棉團中心如包子狀。

3.2? 酚酞的滴加及熱量的積蓄

往包子狀棉花團正中心上方滴5滴酚酞溶液，靜置60秒。酚酞不能滴太多，否則棉花過于潮濕不利于后期的燃燒。當酚酞滴到棉花中心的瞬間，接觸的位置立即變?yōu)榧t色。60秒后棉花上的紅色沒有消失，反而更加明顯，證明有堿性物質生成。經過60秒時間的反應，棉花團內部已經積蓄了較多熱量。

3.3? 棉花的燃燒及酚酞的顯色

滴加酚酞60秒后，用鑷子夾住棉花團的中間變紅處豎直提起，輕放在燒杯中的水面上。豎直提起的目的在于讓棉花上部不滴有酚酞的位置朝上方便觀察，且可以防止過氧化鈉從棉花團脫離。棉花團接觸到水面后，下部立即潤濕。大約5秒后，棉花團瞬間燃燒起來，形成劇烈的視覺和聽覺沖擊。水面上的棉花燃燒后，包在水面下棉花內的過氧化鈉繼續(xù)與水反應，有氣泡冒出。最后，氣泡不再出現(xiàn)，過氧化鈉與水完全反應，燒杯中的溶液呈現(xiàn)明顯紅色。使用玻璃棒攪拌反應后的溶液，紅色未見明顯變化。

4? 教學實踐案例

改進后的實驗方案在不同教學階段巧妙運用，可以充分發(fā)揮其作為真實情境素材的獨特育人功效。

4.1? 高一演示實驗：獲得核心知識，破解思維定勢

高一必修1新授課時演示該實驗，應注重引導學生觀察酚酞的變紅以及棉花的劇烈燃燒，獲得過氧化鈉與水反應生成氫氧化鈉和氧氣的核心知識。其中棉花瞬間劇烈的燃燒，可以作為有氧氣生成的直接證據(jù)。通過與未包裹過氧化鈉的棉花的燃燒對照實驗，發(fā)現(xiàn)包裹過氧化鈉的棉花燃燒時特別劇烈，而且是瞬間燃燒，現(xiàn)象與帶火星的木條靠近氧氣的瞬間燃燒相似。同樣道理，在鋁箔上加熱金屬鈉制備過氧化鈉過程中，出現(xiàn)的燃燒是平緩的［9］。往該實驗中剛出現(xiàn)的淡黃色固體上滴加酚酞溶液，則出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒的現(xiàn)象，其原因就是反應產物中有氧氣瞬間生成。通過類比，理解了檢驗氧氣的生成一般要用帶火星的木條的做法。同時，引導學生關注有效滅火的問題，明白水有時也能生火，且可能導致更大火災的嚴重后果。在破解滅火只能用水的思維定勢的同時，培養(yǎng)學生使用化學知識解決實際問題的自覺性，增強社會責任感，同時激發(fā)其學習化學的興趣。

4.2? 高二播放視頻：關注反應歷程，培養(yǎng)證據(jù)意識

高二《化學反應原理》關于反應歷程新授課時，可播放該實驗視頻，特別是關注實驗中少量過氧化鈉脫離棉花漂浮在水面上與水反應時，有氣泡冒出但周邊溶液未見變紅的異?，F(xiàn)象，引導學生分析反應產物中過氧化氫的存在原因，進而得出過氧化鈉與水反應是分兩步進行的。同時，請學生設計實驗方案，驗證反應后的溶液中是否存在過氧化氫（如加入二氧化錳等催化劑、觀察是否有氣泡冒出等），培養(yǎng)學生的質疑精神和證據(jù)意識。

4.3? 高三再現(xiàn)視頻：評價實驗方案，發(fā)展綜合素養(yǎng)

高三階段復習到過氧化鈉性質時，可以再現(xiàn)該實驗視頻，并與教材中的演示方案、課后拓展實驗分別進行對比，引導學生評價三個實驗的優(yōu)點和不足，發(fā)展學生的實驗評價能力。同時，引導學生從有機物的結構和性質維度關注酚酞的退色問題，分析其退色的可能原因（溶液的堿性太強、過氧化氫的生成、反應放熱等），再次破解酚酞遇堿一定變紅的思維定勢問題。在視頻播放中，引導學生特別關注酚酞變紅的時機并分析可能的原因?？梢园l(fā)現(xiàn)，溶液變紅是在燃燒快結束時出現(xiàn)的。

溶液之所以在反應后期變紅，其原因可能有二：一是酚酞被燃燒導致無法顯色，從酚酞的組成看，分子式為C20H14O4的有機物是可以參與燃燒的，棉花燃燒時酚酞也可能被燃燒掉，當然無法顯色；二是酚酞被高溫下的過氧化鈉腐蝕而無法顯色，棉花燃燒時溫度高，此時過氧化鈉具有很強的腐蝕性［10］，酚酞因被腐蝕而無法顯色。當燃燒即將結束時，過氧化鈉不斷減少且溫度降低，剩余的酚酞（未參與燃燒和未被腐蝕）與溶液中的氫氧化鈉接觸，慢慢顯出紅色。為了驗證以上觀點，可以將酚酞溶液直接滴到鋁箔上高溫燃燒著的鈉塊上，發(fā)現(xiàn)剛滴入酚酞出現(xiàn)瞬間劇烈燃燒時酚酞溶液未見變紅，說明酚酞參與了燃燒過程且被完全燃燒了。通過以上推斷得出新結論的同時，有效拓寬了學生的視野，有利于其綜合分析能力的提高。

過氧化鈉與水反應過程中酚酞的退色可以作為一個現(xiàn)象干擾問題進行回避，也可以作為真實的情境素材進行開發(fā)運用。以上實驗設計的初衷，在于解決學生提出的為什么不用酚酞檢驗氫氧化鈉的問題。本研究通過直面問題設計出新的實驗方案，并在不同的教學階段予以實踐，對于構建素養(yǎng)為本的高效課堂具有一定的借鑒意義［11］。特別是面對同一團棉花既要泡在冷水中接觸反應又要劇烈地燃燒起來的設計難題時，經過反復試探終獲成功的案例，以及關注變色時機，發(fā)現(xiàn)燃燒和高溫下過氧化鈉的強腐蝕作用是導致酚酞無法顯色的主要原因的探究過程，對于發(fā)展學生敢于質疑、勇于實踐、善于創(chuàng)新的化學學科核心素養(yǎng)具有積極的促進作用。

參考文獻：

［1］許志勤. 讓“異常”實驗現(xiàn)象發(fā)揮教學功能——“過氧化鈉與水反應的實驗探究”教學案例與分析［J］. 化學教學， 2013，（10）： 58～60.

［2］宋心琦， 王晶， 鄭長龍主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1［M］. 北京： 人民教育出版社， 2007： 53.

［3］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學1［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 35.

［4］呂秀麗. 過氧化鈉與水反應過程中酚酞褪色的新釋疑［J］. 化學教學， 2005，（3）： 7～8.

［5］蔣小鋼. 基于建構認知模型的元素化學教學策略與實踐［J］. 化學教學， 2020， （11）： 27～32.

［6］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020.

［7］袁暢. 對過氧化鈉與水反應異?，F(xiàn)象的深度探究［J］. 中學化學教學參考， 2019， （13）： 63～65.

［8］王立超. 過氧化鈉與水“滴水生火”實驗的思考與改進［J］. 化學教與學， 2010， 277（1）： 53.

［9］［10］葉永謙， 葉燕珠， 張賢金， 嚴業(yè)安. 空氣中過氧化鈉制備反應現(xiàn)象及實驗條件的探究［J］. 化學教學， 2021， （8）： 94～97.

［11］張麗華. 例談“素養(yǎng)為本”的化學教學設計策略［J］. 化學教學， 2021， （2）： 43～47.